CC BY
27
УДК 631.544
ЗАЩИТНЫЕ ЭКРАНЫ - РЕЗЕРВНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ ОВОЩЕВОДСТВА
B.С. НЕСТЯК, доктор технических наук, зав. лабораторией (e-mail: nestyak-vs@yandex.ru)
Г.Е. ЧЕПУРИН, член-корреспондент РАН, доктор технических наук, главный научный сотрудник (e-mail: sibime@ngs.ru)
О.В. ИВАКИН, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
C.Ф. УСОЛЬЦЕВ, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Сибирского федерального научного центра агробиотехнологий Российской академии наук, а/я 460, р.п. Краснообск-1, Новосибирская обл., 630501, Российская Федерация
Резюме. Основная причина, сдерживающая наращивание товарного производств томатов во многих районах России, в том числе Сибири, - высокие риски, связанные с метеоусловиями. Цель исследований - повышение эффективности товарного производства томатов в условиях открытого грунта. Принципиальное отличие работы - возможность обеспечения защиты растений в течение всего периода вегетации с максимальным сокращением оперативного времени реагирования на текущие изменения внешнихусловий. При этом защитные устройства не ограничивают естественное опыление и доступ к растениям, что определяет возможность механизации основных технологических операций. В ходе исследований (2011-2015гг.) экспериментальный образец модуля защитных экранов был оснащен комплексом приборов для измерения в автоматическом режиме температуры воздуха в зоне растений. Под экранами и в контроле в открытом грунте высаживали рассадутоматов в фазе первой цветочной кисти. Замеры массы плодов, собираемых выборочно по мере достижения ими бурой спелости, осуществляли во всех вариантах через каждые 5-7 дн. (в зависимости от года исследования и решаемых задач). Защитные экраны обеспечивают дополнительно до 70°С активных температур в зоне растений, при этом в их формировании максимальная относительная величина вклада искусственных факторов составляет 11%. Наибольшие коэффициенты аккумуляции характерны для наружных температур порядка 18-2СРС, при дальнейшем их повышении величина этого показателя снижается, что предотвращает перегрев растений. Экраны позволили снизить негативное воздействие внешних факторов, продлить сбор плодов на 2 недели и увеличить урожайность, по сравнению с открытым грунтом, в 1,5-2,0 раза, при этом максимальный выход продукции в стадии технической спелости составил 91,5%. Ключевые слова: томаты, открытый грунт, негативное воздействие, защитные экраны, активные температуры, продукционный процесс, эффективность, урожай. Для цитирования: Защитные экраны - резервные возможностидля овощеводства/В.С. Нестяк, Г.Е. Чепурин, О.В. Ивакин, С.Ф. Усольцев //Достижения науки и техникиАПК. 2016. Т.30. №8. С. 83-86.
На сегодняшний день в условиях Сибири товарное производство томатов в открытом грунте практически отсутствует [1]. Те небольшие объемы, которые поставляет на рынок частный сектор, не могут удовлетворить возрастающий спрос на качественную продукцию местного производства.
Основная причина такой ситуации - высокие риски, связанные с условиями выращивания: в начале лета большая вероятность воз-
вратных заморозков, низких температур почвы и воздуха в ночное время суток; в конце лета наблюдается снижение температуры воздуха, особенно в ночное время, и появляется опасность ранних осенних заморозков. Даже в середине лета северные ветры создают неблагоприятные условия для растений, а холодные росы способствуют их заболеванию. Кроме того, для сибирского лета характерны длительные периоды с пасмурной погодой, когда приток солнечной радиации отсутствует или минимален [2-7]. Из-за этого не обеспечивается биологическая норма растений в активных температурах, и повышаются риски для товаропроизводителей: даже кратковременное негативное воздействие внешней среды может свести на нет все предыдущие усилия и затраты, что в рыночной экономике чревато банкротством.
Следует отметить, что возможности значительного и быстрого наращивания площадей зимних теплиц в нынешней экономической ситуации в ближайшей перспективе ограничены. Единственным выходом из создавшегося положения может быть резкое увеличение производства наиболее ценных теплолюбивых овощей (томаты, перцы, баклажаны) путем расширения площадей утепленного грунта, в идеологии которого заложен дуализм: во время непогоды растения временно изолируют от неблагоприятных воздействий факторов открытого грунта, а в погожие часы - вновь возвращают в естественные условия. При этом появляются новые противоречия, теперь уже между растениями и средствами технической защиты, поскольку последние ограничивают доступ к растениям при выполнении культуртехнических работ и препятствуют некоторым биологическим процессам (например, опылению).
Цель наших исследований - увеличение эффективности товарного производства томатов в открытом грунте путем повышения теплообеспеченности периода вегетации и снижения рисков негативного воздействия внешних факторов.
Условия, материалы и методы. Принципиальное отличие работ, выполняемых в СибИМЭ СФНЦА РАН, - возможность обеспечения технической защиты выращиваемых растений в течение всего периода их вегетации, в том числе во время неблагоприятных экстремальных воздействий, с максимальным сокращением оперативного времени реагирования на текущее изменение внешних условий [8, 9]. При этом функция защиты растений не ограничивает естественное опыление и доступ к растениям для полива, механических обработок и сбора урожая, одновременно
Рис. 1. Защитные экраны (без торцевого ограждения).
решается еще одна важная задача - повышение теплообес-печенности растений в период вегетации [10].
В отличие от комплексного укрытия [8], защитные экраны, реализующие новый способ, содержат лишь стойки, образующие несущий каркас модуля, и защитные экраны из сотового поликарбоната, установленные оппозитно один к другому с технологическим зазором между ними, что максимально упрощает конструкцию (рис. 1). Торцы экранов (в зависимости от условий) оборудуют торцевым ограждением.
В полевых экспериментах2011-2015 гг. защитные экраны были оснащены приборами для регистрации температуры воздуха в автоматическом режиме (рис. 2), что позволило контролировать этот параметр, как в открытом грунте, так и под укрытием в течение всего периода вегетации. Замеры под экранами вели в различных зонах по ширине, высоте и длине укрытия. Это позволило экспериментально определить уровень накопления дополнительных активных температур в зоне растений, оценить эффективность их защиты от холодных рос, града и заморозка.
Эксперименты (на культуре томатов) проводили на участке открытого грунта тепличного комплекса института с одинаковыми условиями по освещенности, прохождению воздушных потоков и составу почвенного покрова с применением частных и стандартных методик [11, 12].
На делянках под защитными экранами и в открытом грунте выполняли однотипные работы (обработка почвы, поделка посадочных лунок, внесение органических и минеральных удобрений, высадка рассады, уход за растениями и сбор продукции). Схема размещения растений во всех вариантах однострочная.
Массу плодов, собираемых выборочно по мере достижения бурой или полной биологической (технической) спелости, по всем вариантам определяли через каждые 5-7 дн. (в зависимости от года исследования и решаемых задач). Учет зеленоспелых плодов проводили при окончании вегетации (в том числе и в случае невозможности дальнейшего развития из-за условий внешней среды). Взвешивание осуществляли на лабораторных весах с погрешностью измерения 0,001 кг.
Результаты и обсуждение. Превышение температур под защитными экранами, по сравнению с открытым грунтом, составляло при открытых торцах 2-3° (рис. 3а), при закрытых - 3-8° (рис. 36). При этом их изменения как по высоте, так и по длине технологического межэкранного прохода, были незначительны
Рис. 2. Экспериментальное оборудование: а - измерительный датчик в корпусе; б - установка датчиков на поперечной решетке между экранами.
и практически совпадали со средней температурой в зоне растений, а отклонение температур по длине экрана и в его середине не превышало ошибки опыта.
Повышение температуры в зоне растений при наличии инсоляции обусловлено эффектом взаимозапирания вертикальных конвективных воздушных потоков, образующихся в пространстве между экранами. Их взаимодействие в период максимальной инсоляции обеспечивает выход воздуха из зон с наибольшим нагревом, что способствует ограничению максимальной температуры воздуха в зоне растений. При этом основной регулирующий поток в дневное время - воздушный поток в технологическом проходе. Открытие торцов снижает эффект взаимозапирания вертикальных конвекционных потоков. Изменяя его параметры, можно увеличивать температуру воздуха в зоне растений и защищать их от перегрева. В укрытии без торцевого ограждения (см. рис. 1) температура под защитными экранами не превышала температуру наружного воздуха более чем на 2°С.
Учитывая метеоусловия 2013 г. (большое количество осадков и постоянная облачность в течение вегетационного периода, а также практически одинаковые результаты по всем вариантам эксперимента), расчет коэффициента аккумуляции и суммы активных температур проводили для варианта с закрытыми торцами. Для полноты анализа показателей эффективности защитных экранов дополнительно были обработаны данные за 2011-2013 гг. За
Рис. 3. Тренды изменения дневных температур воздуха: а - торцы открыты, б - торцы закрыты; 1, 2 - солнечно, 3,4 - пасмурно; - температура воздуха в зоне растений (экраны); - - температура наружного воздуха (контроль).
Таблица. Величина активных температур в вегетационный период
Среднедневой показатель Среднесуточный показатель
Год Месяц (8:""-2":"") (":""-24:"")
1АТ, 1АТ , "сзр прирост, 1АТ , "сзр прирост,
"с "С С "С
2011 июнь 589 648 59 479 499 20
июль 597 640 43 491 504 13
август 607 644 37 509 524 15
год 1793 1932 139 1479 1527 48
2012 июнь 403 442 39 364 371 7
июль 869 931 62 730 743 13
август 661 689 28 552 556 4
год 1933 2062 129 1646 1670 24
2013 июнь 194 219 25 174 190 16
июль 744 799 55 616 645 29
август 611 646 35 555 580 25
год 1549 1664 115 1345 1415 70
ТАТн - сумма активных температур наружного воздуха, ТАТзр - сумма активных температур в зоне растений
рассматриваемый период (июнь-август 2011-2013 гг.) среднемесячная температура в дневное время колебалась от 20 до 280С, среднемесячные коэффициенты аккумуляции находились в диапазоне 1,05-1,12, а максимальная величина этого показателя составила 1,23.
Максимальный в опыте вклад экранов в формирование температуры в зоне растений составил 11%, минимальный - 5%, а наибольшие коэффициенты аккумуляции были характерны для наружных температур порядка 18-200С в весенний период (рис. 4). При дальнейшем их повышении величина этого показателя снижается, что предотвращает перегрев растений.
Прирост активных среднесуточных температур под защитными экранами (за период вегетации) был отмечен во все годы исследований: в 2011 г. - 480С, в 2012 г. - 24,10С, в 2013 г. - 700С, в 2014 г. - 65,60С, в 2015 г. - 23,70С (см. табл.).
Эффективность работы экранов оценивали снижением рисков отнегативных явлений в открытом грунте, возможностью продления вегетационного периода, качеством и количеством полученного урожая и особенно заметна она была в лабораторно-полевых экспериментах2011, 2014 и 2015 гг., резко отличавшихся по погодным условиям. В 2011 г. в целом они были относительно благоприятными для выращивания томатов в открытом грунте. Однако применение защитных экранов позволило продлить вегетационный период практически до конца сентября, а урожай в этом варианте был значительно выше, чем в открытом грунте (с куста в контроле - 2,1 кг, под экранами - 3,5 кг). При этом штамбовые сорта под экранами вели себя несколько иначе, чем в открытом грунте: вначале они более интенсивно набирали вегетативную массу, вследствие чего несколько запаздывали с первой продукцией, затем догоняли и опережали в своем развитии растения в контроле (рис. 5). Дополнительный выход продукции (более 70%) был получен за пределами сроков выращивания томатов в открытом грунте, а продукция в состоянии технической спелости превысила 62%.
В 2014 г. условия оказались не вполне комфортными для использования защитных экранов: практи-
чески в течение всего лета наблюдали высокую температуру воздуха, вследствие чего экраны должны были, прежде всего, обеспечить защиту растений от перегрева. И они эту функцию выполнили: температура под экранами, особенно максимальная, практически совпадала с температурой наружного воздуха (рис. 6). В результате резкого похолодания с кратковременным понижением температуры до минус 2-40С в ночь с 4-го на 5-е сентября растения в открытом грунте погибли, а под укрытием сохранились и плодоносили еще 2 недели. Это сказалось на урожайности томатов: в контроле - 1,94 кг/куст, под экранами - 2,76 кг/куст.
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Температура наружного воздуха
Рис. 4. Зависимость коэффициента аккумуляции (ц) от наружной температуры (экспозиция при закрытых торцах 30 июня 2013 г. с 6:00 до 14:30).
В 2015 г., через 5 дн. после высадки рассады, прошел град, который травмировал высаженные в открытый грунт растения, а 7,5% из них погибли; под защитными экранами растения не пострадали. Прирост активных температур под экранами в 2015 г. составил всего лишь 23,70С и сформировался, в основном, в июне. Урожайность в контроле находилась на уровне 1,89 кг/куст, под защитными экранами - 3,36 кг/куст, при этом 28,2% урожая под экранами было собрано за предельными сроками выращивания томатов в открытом грунте, а 91,5% всего урожая составила
4 ' 3,5 | н о о 3 > * ^ 2,5 ■ * и" 2 о 2 ч § 1,5. с о 1 1 о 03 2 0,5 ■ 0 | -0,5 ' <9
III у = -0,0052х3+ 0,097х2-0,1246х -0,0045
—ш--
у = -0,00Е 4х3+ 0,13 13 = 0,9941 874х + 0, 2593;- - \
\ \
* * * * * * 1* А 4 4
? У у У у у у у у у ¿Г ¿Р Дата замера
Рис. 5. Динамика продукционного процесса (2011 г.): троль.
■ - экраны;
- кон
33,0 28,0 23,0 18,0 13,0 8,0 3,0 -2,0
\
1 у, iv %
У V
» 1 №
А
ч ч ч ч
<0 со со со СО СО со
о о о о о о о о о о о
Ч- Ч- Ч- Ч- ч- о о о СО СО со
см о см со Дата см и о см
Рис. 6. Изменение среднесуточной температуры воздуха (2014 г.):--температура
воздуха в зоне растений (экраны);..........- температура наружного воздуха (контроль).
продукция в состоянии технической спелости. В связи с резким похолоданием последний сбор в открытом грунте был проведен 6 сентября, под экранами вегетационный период продолжался еще 2 недели.
Выводы. Таким образом, защитные экраны формируют дополнительно до 700С активных температур в зоне растений, что служит существенным резервом повышения теплообеспеченности вегетационного
периода, при этом относительная величина вклада искусственных факторов в формирование температуры в зоне растений при использовании экранов варьирует от 5 до 11%.
Наибольший коэффициент аккумуляции (ц =1,4) характерен для наружных температур порядка 18-200С (в весенний период), при дальнейшем их повышении величина этого показателя снижается, что предотвращает перегрев в зоне растений.
Использование защитных экранов снижает риски воздействия негативных факторов внешней среды, позволяет увеличить урожайность, по сравнению с открытым грунтом, в 1,5-2,0 раза, продлить сбор плодов на 2 недели, довести выход продукции в стадии технической спелости до 90%.
Внедрение защитных экранов позволит обеспечить устойчивое производство томатов в регионах с недостаточной теплообеспеченностью и снизить риски товаропроизводителей.
Литература.
1. Ивакин О.В., Нестяк В.С. Состояние и проблемы овощеводства НСО // Продовольственное обеспечение Сибири в условиях глобализации мировой экономики: матер. междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 60-летию создания Сибирского науч.-исслед. ин-та экономики с.-х-ва. Новосибирск: ФГБНУ СибНИИЭСХ, 2015. С. 237-240.
2. Гринберг Е.Г., Ксензова Т.Г., Хананова Р.Ф. и др. Овощеводство Западной Сибири / под ред. Т.Г. Ксензовой и Р.Ф. Ха-нановой. Новосибирск: Новосиб. Гос. Аграр. Ун-т, 2006. 237 с.
3. Агроклиматические ресурсы Алтайского края. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 198 с.
4. Агроклиматические ресурсы Кемеровской области. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 143 с.
5. Кухарская В.Л., Морозкова М.М., Черникова М.И. и др. Агроклиматические ресурсы Новосибирской области. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 154 с.
6. Агроклиматические ресурсы Омской области. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 188 с.
7. Агроклиматические ресурсы Томской области. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 147 с.
8. Усольцев С.Ф., Арюпин В.В., Нестяк В.С. К вопросу разработки технологии выращивания томатов в условиях Сибири//Аграрная наука - сельскому хозяйству: сб. статей. III междунар. науч.-практ. конф. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2008. Кн.1. С. 523-526.
9. Патент РФ №2479986. Способ создания условий для выращивания теплолюбивых овощных культур в условиях открытого грунта и устройство для его реализации / В.В. Арюпин, В.С. Нестяк, С.Ф. Усольцев. Заявл. 05.10.2011; Опубл. 27.04.2013.
10. Тепловой режим защитных экранов для выращивания овощей в неблагоприятных условиях// В.С. Нестяк, В.В. Арюпин, О.В. Ивакин, С.Ф. Усольцев, В.Ю. Серебряков // Экологически дружественное сельское хозяйство для будущих поколений: сб. науч. тр. междунар. науч. конф. XXXVICIOSSTA CIGR VConference-2015/СПбГАУ.-СПб., 2015. - С. 600-608.
11. Веденяпин Г. В. Общая методика экспериментальных исследований и обработки опытных данных. М.: Колос, 1973. 199 с.
12. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М.: Агро-промиздат, 1985. 351 с.
PROTECTING SCREENS AS SPARE CAPACITIES FOR VEGETABLE GROWING
V.S. Nestyak, G.E. Chepurin, O.V. Ivakin, S.F. Usoltsev
Siberian Research Institute of Mechanization and Electrification of Agriculture Siberian Federal Scientific Centre of Agro-Bio Technologies of Russian Academy of Sciences, PO Box 460, Krasnoobsk-1, Novosibirskaya obl., 630501, Russian Federation Summary. The main reason, restraining the growth of tomato commodity production in many regions of Russia, including Siberia, is the high risk associated with the meteorological conditions. The aim of this work was to increase the efficiency of tomato commodity production under conditions of the negative impact of open ground. The fundamental difference of the work is the ability to ensure the protection of plants throughout the whole growing season and reduce at most the operational time of responding to the current changes in external conditions. Moreover, plant protection devices do not limit natural pollination conditions and access to plants, which determines the possibility of mechanization of the main process operations. During investigations (2011-2015), the engineering prototype of the module of protecting screens was equipped with a set of devices for automatic measurement of air temperature around the plant. Tomato seedlings in the phase of the first truss were planted under the screen and in the control in the open ground. The measurements of the weight of fruits, collected selectively as they reached brown maturity stage, were performed for all variants every 5-7 days (depending on the year of study and the problems solved in the year). It was found that protecting screens ensure additional active temperatures of up to 70 degrees around the plant, while the maximum relative contribution of artificial factors to temperature formation was 11%. The highest values of accumulation coefficient are characteristic for outdoor temperatures of about 18-20 degrees, and accumulation coefficient decreases with their further increase, which prevents overheating of the plants. The screens allowed minimizing the negative impact of external factors, extend the time of fruit harvest by two weeks and increase the yield 1.5-2.0 times compared to open ground, while the maximum yield in the stage of technical maturity was 91.5%.
Key words: tomato, open ground, negative impact, protective screens, effective temperature, production process, efficiency, yield. Author Details: V.S. Nestyak, D.Sc. (Tech.), head of laboratory (e-mail: nestyak-vs@yandex.ru); G.E. Chepurin, corresponding member of the RAS, D.Sc. (Tech.), chief research fellow (e-mail: sibime@ngs.ru); O.V. Ivakin, Cand. Sc. (Tech.), leading research fellow; S.F. Usoltsev, Cand. Sc. (Tech.), leading research fellow.
For citation: Nestyak V.S., Chepurin G.E., Ivakin O.V., Usoltsev S.F. Protecting Screens as Spare Capacities for Vegetable Growing. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2016. V.30. No. 8. Pp. 83-86 (in Russ.).
